什么是接地?接地的原理是什么?

什么是接地?接地的原理是什么?

题主的问题很基本。然而,题主的问题却不是几句话能够说清楚的,它与国际电工委员会IEC发布的有关低压配电网接地系统有关。在这里,IEC和国家标准都有相关的标准,其中IEC的标准是:IEC60364,而国家标准是GB16895.1-2008《低压电气装置 第1部分:范围、目的和基本原则》。

题主的问题我在知乎网中解答了N次,写过不下数十篇帖子。既然题主询问了,这会儿有时间,我再写一次吧。

我们首先来看接地的目的是什么。我们看下图:

图1中有1图和2图,它们有区别吗?

仔细观察后,我们会发现2图的电池负极线路有接地标识,由此标定了电池负极为全部电路的零电位参考点。

我们把这种接地叫做工作接地,工作接地的目的就是为系统构建零电位点。

我们看下图:

图2中,T是电力变压器的低压侧绕组。我们看到,低压绕组的中性线实施了工作接地,并且是接大地。我们把工作接地后的中性线引出,它就是大名鼎鼎的零线,符号是PEN,标准名称是保护中性线。

注意1:图2的配电系统中,有了工作接地,线路各处相对大地的电位就是明确的,不会发生偏移。

例如图2中的负载电阻Ra、Rb和Rc不一定会相等,如果零线没有工作接地,它的末端电位就会偏离零电位点,行业术语叫做零点漂移,零点漂移的最大值可达相电压。有了工作接地,零线的电位被强制性地限定为大地的零电位。由于零线本身存在电阻/阻抗,零线电流流过后会产生一定的电压降,故零线末端的电压呈现在零值附近。

这就是工作接地的目的。

我们看下图:

作为对照,我给出国家标准GB/T 16895.1-2008定义的TN-C接地系统图,如下:

我们仔细看图3:

在图3-1和图3-2的左侧,我们看到了变压器低压侧绕组的中性线N被工作接地,并且以PEN零线的形式引出。注意到负载侧的引入端,零线再次重复接地,其目的是确保零线末端的电位在零值附近。

注意2:尽管零线电位为零,但零线电流丝毫不受影响。也就是:零线电流的大小与零线电位为零无关!

为何如此?因为零线的电压是节点电压,不是欧姆定律定义的电压。零线电压遵循基尔霍夫第二定律KVL,不遵循欧姆定律。

IEC60364和GB/T 16895.1-2008均定义图3的接地形式为TN-C。

我把图3-1中的负载接线图复制为图4,如下:

注意到图4中左起第一个负载,我们看到零线首先引入到用电设备的金属外壳,然后再引入到电源输入接线端子,由此确保用电设备外壳的电位为零。我们接线方法叫做保护接零。

注意3:只有TN-C接地系统中的相线L1/L2/L3被称为三相火线,而保护中性线PEN被称为零线。

保护接零的目的是什么?

其一:若用电设备的内部发生火线碰壳事故,由于外壳接零线,于是外壳的电位在大地的零电位附近。此时若有人正在触摸用电设备的外壳,用电设备外壳的零电位保障了人身安全。

其二:注意到零线电流与零线电压无关。当上述碰壳事故发生后,故障电流相当于火线对零线的短路电流,线路中的保护装置(断路器或者熔断器)就会执行线路保护切断故障线路。

我们看图5:

图5中,我们看到变压器低压侧绕组工作接地后,以中性线N的形式引出,可见TT接地系统具有工作接地。

我们看图5的用电设备,我们发现用电设备的外壳就地直接接地,与电源无关。

用电设备的外壳执行就地直接接地后,一旦发生碰壳事故,由于用电设备的外壳为零电位,确保了人身安全防护。同时,故障形成的接地故障电流,经过地网后再从工作接地处返回变压器中性点。由于地网的阻抗较大,因此故障电流较小,无法启动断路器或者熔断器执行线路保护操作。这时,就需要在系统中安装漏电保护器来执行线路保护。

IEC60364系列标准和GB50054-2017《低压配电设计规范》都规定了TT系统下必须使用漏电保护器用于漏电保护。一般地,漏电保护器的动作电流设定为30mA,这从GB/T 13870.1-2008《电流对人和家畜的效应 第1部分:通用部分》定义的人体轻微电击区域AC-2的最大边界电流值可以确定。

IEC提出了另外一种接地形式,以满足配电系统的接地需求,这就是TN-S接地系统。我们看图6:

注意看图6的变压器中性点,它工作接地后以中性线N和保护线PE的形式引出。在负载侧,负载的外壳接到PE线上。由于PE线就是地线,所以用电设备的这种防护也叫做保护接地。

TN-S的保护接地与TT的保护直接接地有何不同?当TN-S接地系统中用电设备的外壳发生碰壳事故,故障电流沿着PE地线返回电源,线路阻抗很小。又因为地线PE与中性线N在电源侧是接在一起的,接地电流相当于相线对N线的短路,故障电流较大,能够启动线路中的保护装置执行线路保护。

同时,TN-S接地系统是可以安装漏电保护器的。所以,TN-S接地系统中的人身安全防护相对其它接地系统要完善得多。

关于接地系统的字符意义,GB/T 16895.1-2008中有明确的定义,如下:

可见,第一个字符T表示有工作接地,而第二个字符N表示电源引出了保护线,并且用电设备的外壳与保护线连接。如果第二个字符是T,则表示用电设备的外壳采取就地直接接地措施。

注意4:IEC规定X相X线的线制中,“X线”指的是正常运行时有电流流过的线路。PE线在正常运行时没有电流流过,因此它不算线。故而,TN-S接地系统属于三相四线制。

IEC还把TN-C系统与TN-S接地系统结合起来,形成TN-C-S接地系统,如下:

注意看图8的负载,靠左侧的用电设备属于保护接零,系统中存在零线PEN;靠右侧的用电设备属于保护接地(保护接PE地线),局部系统中没有零线,只有中性线N和地线PE。

一般地,在零线分开为中性线N和地线PE时,分开点需要配套重复接地。

注意5:有零线PEN的接地系统中不可能出现地线PE,有地线PE的接地系统中不可能出现零线PEN。零线PEN与地线PE是相互排斥的。

我们看居家配电系统的TN-C-S接地系统图,见图7:

我们看图9的左侧,我们看到了电力变压器T,它的中性线接地,然后以PEN零线的形式引出。同时,三条相线引入到总断路器中。在总断路器下端的出线侧,三条相线(火线)和PEN线(零线)一起,经过电缆引入到居家配电的入口处。

可见,此处的接地系统符合TN-C接地系统。

在居家配电的入口处,零线PEN首先接到重复接地的扁钢LEB处,在这里一分为二,成为PE地线和N中性线。从这里开始,接地系统变成TN-S。由于它是经由TN-C改变接线而得到的,因此IEC把它叫做TN-C-S接地系统。

注意到图9中的相线经过总开关QF0后,和中性线一起引入到电度表中。在电度表的出口处,系统中的相线L、中性线N和PE地线一起入户,到达我们居家的配电箱中。

居家配电箱中,安装了总进线开关,总漏电开关,还有若干馈电开关。图7中的电冰箱就接在最右侧的馈电回路末端。我们看到,电冰箱的外壳是接PE地线的。

当电冰箱的外壳发生碰壳事故后,地线PE将流过故障电流,而相线中的电流也会增加,于是总进线开关处的漏电保护器会执行保护动作,驱动总开关跳闸;同时,电冰箱回路的馈电开关也会跳闸。由于我们设计总漏电开关的动作时间略微滞后于馈电开关,因此电冰箱回路所在的馈电开关会先跳闸,由此实现了上下级开关动作的选择性。

最后,给题主提几个问题:

第一个提问:零线的电流不为零,但它的电压为零,这显然违反欧姆定律。那么零线遵循的是何种电路规律和定律?

回答:零线遵循节点电压定律,即基尔霍夫第二定律KVL。

第二个提问:零线断裂后,会发生何种现象?如何预防?

回答:零线断裂后,断裂点后部的电压会上升,最高会升至相电压。因此,零线必须采取多点接地和重复接地的措施。

第三个提问:什么叫做工作接地?它与电力变压器中性线有何关系?工作接地在电路中起到何种作用?

回答:工作接地就是把变压器的中性点直接接地,使得系统中有零电位的导线,以确保系统中的电压是稳定的和明确的。

第四个提问:什么叫做保护接地?保护接地线(PE)和真正的保护接地,它们分属于何种接地形式?用途是什么?

回答:保护接地就是将用电设备的外壳接地,以保护人身安全。

保护接地有两种,一种是把用电设备的金属外壳与来自电源的零线或者PE线相接,前者叫做保护接零,后者叫做保护接地;第二种是把用电设备的金属外壳直接接地。

这两种保护接地的方法,前者属于TN系统,后者属于TT系统。

第五个提问:什么叫做TN-C、TN-S、TT、IT和TN-C-S?它们的异同是什么?它们中的用电设备如何实现接地?

回答:略。

第六个提问:存在三相五线制吗?

回答:不存在。

X相X线中的线,指的是在正常运行状态下有运行电流流过的线。保护线PE在正常状态下没有电流流过,它不是线。

所以,TN-S接地系统(有三条相线,一条N线,一条地线PE)属于三相四线制。

第七个提问:漏电保护器的动作原理是什么?为何TN-C接地系统中不建议安装漏电保护器?

回答:略。

第八个提问:为何TN-C接地系统中的断路器必须是单极(1P)和三极(3P)的,严禁安装双极(2P)和四极(4P)的断路器?和接地有何关系?

回答:因为TN-C接地系统的零线不得断线,零线不得接入开关,故TN-C接地系统中的断路器必须是3极的。

第九个提问:对于TN-C接地系统,零线可以多次重复接地吗?对于TN-S接地系统,N线可以多次重复接地吗?PE线可以多次重复接地吗?

回答:

TN-C接地系统的零线必须多点重复接地。

TN-S接地系统的中性线只能在电源处接地,之后不得再次接地。N线在首次接地后必须与地线PE绝缘。

TN-S的PE线可以多次重复接地。

第十个提问:除了工作接地(建立零电位参考点)、保护接地(保护人身安全),接地还有其它目的吗?

回答:略

以上问题请题主和知友们尽量解答。我会在一两天或者评论区情况给出标准解答。